Eine Methode zur Auswahl von Standgetrieben für Antriebsstränge von Elektrofahrzeugen mit Zentralantrieb = A method for choosing fixed-axis gears for powertrains of electric vehicles with central drive

Die Entwicklung neuer Fahrzeugmodelle beschrankte sich in den letzten Jahrzehnten uberwiegend auf Fahrzeuge mit einem verbrennungsmotorischen Antriebsstrang. Dabei wurde haufig das Grundprinzip des Antriebsstrangs, bestehend aus Verbrennungsmotor, Kupplung und Getriebe beibehalten und lediglich die Karosserieform und die Fahrzeugausstattung erweitert oder angepasst. Aufgrund von neuen Gesetzgebungen, die den Ausstos von CO2 begrenzen oder gar komplett verbieten, ist eine gleichbleibende Entwicklung basierend auf dem Verbrennungsmotor weiterhin nicht mehr moglich. Die Elektromobilitat bietet die Moglichkeit lokal emissionsfrei zu fahren und somit die Gesetzgebungen und Grenzwerte zu erfullen. Das bedeutet jedoch fur die Entwicklung neuer Fahrzeuge, dass der Ubernahmeanteil der Vorgangergeneration deutlich kleiner wird. Der Antriebsstrang aus Verbrennungsmotor, Kupplung und dem bis zu achtgangigen Getriebe wird durch einen Antriebsstrang bestehend aus Leistungselektronik, Elektromotor und Getriebe ersetzt. Dabei steht der Produktentwickler vor der Frage, wie ein elektrischer Antriebsstrang fur ein Fahrzeug effizient und fur die entsprechenden Fahrzeuganforderungen entwickelt werden kann? Der elektrische Antriebsstrang sollte eine grostmogliche Effizienz bei einer moglichst hohen Leistungsdichte aufweisen. Bisher werden hierfur in den meisten Fallen Hightorque-Elektromotoren mit einem eingangigen Getriebe eingesetzt. Ein Ansatz zur Verbesserung der Effizienz und Leistungsdichte ist die Erhohung der maximalen Drehzahl des Elektromotors. Das Anheben der maximalen Drehzahl fuhrt zu einer Verkleinerung des maximalen Drehmoments aufgrund des begrenzten Rotordurchmessers bei hohen Drehzahlen und dem begrenzten Strom der Leistungselektronik. Um die Leistungsanforderungen des Fahrzeugs zu erfullen, ist daher ein mehrgangiges Getriebe erforderlich. Dieses bietet die Moglichkeit, die Effizienz des gesamten Antriebsstrangs zu verbessern, indem durch eine Verschiebung der Betriebspunkte in Bereiche mit einem besseren Wirkungsgrad die Verluste reduziert werden. Die zentrale Fragestellung bei der Entwicklung von elektrischen Antriebsstrangen fur Fahrzeuge ist, wie geeignete Kombinationen aus Leistungselektronik, Elektromotor und Getriebe unter Berucksichtigung der verschiedenen Fahrzeuganforderungen und Klassen, sowie den Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten des Antriebsstrangs, identifiziert werden konnen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode erarbeitet, mit der aus unterschiedlichen Elektromotoren und Getrieben ein wirkungsgrad- und bauraumoptimaler Antriebsstrang entwickelt werden kann. Hierfur werden unter Berucksichtigung der Fahrzeugklasse und den Antriebsstrangkomponenten die Ganganzahl und die Ubersetzungen der einzelnen Gange definiert. Mitberucksichtigt werden dabei die Performanceanforderungen, die Energieeffizienz sowie die Schaltstrategie. Auf Basis der Definition der Ganganzahl und der Ubersetzungen erfolgt eine Getriebedimensionierung zur Ermittlung des Bauraums und der Masse der unterschiedlichen Antriebsstrange. Eine Effizienzbewertung der unterschiedlichen Antriebsstrange vervollstandigt die Methode zur Entwicklung von wirkungsgrad- und bauraumoptimalen Antriebsstrangen.